JPS63250513A - 光フアイバジヤイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、回転角速度を検出するための光ファイバジャ
イロに係り、特に自動車用ナビゲーションシステムに好
適な光ファイバジャイロに関する。

〔従来の技術〕

従来から、回転角速度の検出のためには、回転コマによ
る、いわゆるジャイロスコープが主として用いられてい
たが、近年、光ファイバを用い、可動部材を持たずにス
タティックな検出を行なう光ファイバジャイロが注目さ
れるようになっており、そのうち、光位相ｉＪ方式の光
ファイバジャイロについては、例えば、スプリンガーー
ハーラグ　バーリン　ハイトルハーグ　ニューヨーク１
９８２、ファイバオプチツク　ローテーションセンサー
ズ　３２、ｐｐ、２５２　２５３（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ　
−Ｖｅｒｌａｇ　Ｂｅｒｌｉｎ　）（ｅｉｄｅｌｂｅｒ
ｇ　Ｎｅ＆ＶＹｏｒｋ　１９８２＋　　Ｆｉｂｅｒ−Ｏ
ｐｔｉｃ　　Ｒｏｔａｔｉｏｎ　５ｅｎｓｅｒｓ　　３
２　　ｐｐ、２５２−２５３）において論じられている
。

そして、この位相変調方式の光ファイバジャイロによる
回転角速度の検出は、以下の原理によって行なわれてい
る。すなわち、いま、変調角周波数をω６、振幅をφ１
、光が光フアイバループを伝帳する時間をτとすると、
このときの変調電圧ψは、 ψ−２φ、、ｌＳ！ｎ（０ｍ　ｒ） となる。

次にこの系に回転角速度Ωが加わると、サニヤック（Ｓ
　ａｇｎａｃ）効果により光フアイバループ中を右廻り
に伝帳している光と左廻りに伝帳している光の間に位相
差Δθが生じる。

Δθ−ａΩ　（ａは定数） 結果として受光素子の出力■は、ＰＧを入射光パワーと
したとき、 １＝Ｐｏ（１＋ΣＪ２．．（ψ）ｃｏｓ（２Δθ）ｓｉ
ｎ（２ｎｗ。

（ｔ　−−）　’）　＋ΣＪ２−＋（ψ）ｓｉｎ（２Δ
θ）２　　　　　？ｌ−１ ｓｉｎ（（２ｎ　−１）ω、　（ｔ−−７０））となる
。

したがって変調角周波数ω１により同期検波を行なうと
、 ｖ　＝　Ｋ　Ｊ　ｌ　（ψ）ｓｉｎ（Δθ）なる出力電
圧を得ることができる。

故にこの出力電圧Ｖを測定することにより、系に加えら
れた回転角速度の大きさが測定できることになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、光ファイバジャイロが受けるであろう
温度変化や振動、それに圧力変化などの環境変化の影響
について配慮されておらず、測定精度の保持や安定性の
確保の面で問題があった。

本発明の目的は、環境変化のもとでも充分な精度と安定
性を保つことができる光ファイバジャイロを提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、光フアイバループからの受光信号に含まれ
る基本変調周波数成分とこれの高次変調周波数成分とを
分離して取り出し、これら複数の成分間での振幅比が所
定値に収斂するように、変調信号の振幅を制御すること
により達成される。

〔作用〕

上記の振幅比は光位相変調器での変調指数を表わすもの
となっているので、結果として変調指数が所定値、例え
ば２．６に収斂されることになり、ドリフトによる影響
を除くことができる。

〔実施例〕

以下、本発明による光ファイバジャイロについて、図示
の実施例により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例で、この実施例では、発光素
子１、偏波保存型光方向性結合器２．２゛、偏光フィル
タ３、偏波保存型単一モード光ファイバをコイル状に巻
いた光フアイバループ４、光位相変調器５、受光素子６
より構成される光学系を備え、この光学系に発振器７．
４周波数置期検波回路８、マルチプレクサ９、サンプル
・ホールド回路１０、Ａ／Ｄコンバータ１１、Ｄ／Ａコ
ンバータ１２、マイコン１３、それに乗算器１４で構成
される信号処理部を組合わせて回転角速度の検出を行う
ようになっている。

第２図は信号処理部の詳細を示したもので、受光素子６
の出力はプリアンプを経てから４個の同期検波回路８ａ
、８ｂ、８ｃ、８ｄに入力される。

一方、光位相変調器５の変調信号源となっている発振器
７からの信号も、これらの同期検波回路８ａ〜８ｄに入
力されるようになっている。このとき、同期検波回路８
ａには発振器７からの信号ｆ、、ｌがそのまま入力され
るようになっているが、残りの同期検波回路８ｂ〜８ｄ
については、周波数てい倍器８ｅ、８ｆ、８ｇを介して
、それぞれ２倍の周波数の信号２ｆ、、３倍の周波数の
信号３ｆ１、それに４倍の周波数の信号４ｆ、となつて
から入力されるようになっている。

ここで、受光素子６より得られる出力のスペクトラムを
第３図に示す。サニヤック効果による位相差Δθ＝０、
即ち静止時には同図（ａｌの如く、基本変調周波数ｆ１
の偶数次高調波が得られ、回転が加わると同図（ｂ）の
如く変調周波数ｆ□の奇数次高調波および偶数次高調波
が得られ、さらに、ΔθΣπ／２に相当する回転が加わ
ると同図（Ｃ１の如く偶数次高調波は消え、奇数次高調
波のみとなる。

このように、受光素子６の出力には、基本変調周波数成
分と共に、高次の変調周波数成分が現われるが、この実
施例では比較的振幅レベルが高く得られる第４次までの
高調波成分を利用するようになっており、このため第２
図に示すように、４個の同期検波回路８ａ〜８ｄを用い
ているのである。なお、同期検波回路はロックイン・ア
ンプとも呼ばれており、Ｌ、１．Ａはその略である。

第２図に戻り、各同期検波回路８ａ〜８ｄは、それぞれ
基本変調周波数信号ｆいと、これの２倍。

３倍、４倍の各高次変調周波数信号２ｆ、　、　３ｆ、
　。

４「、を参照信号として動作し、受光素子６からプリア
ンプを介して所定のレベルに増幅された検出信号と各参
照信号との位相差を検波する。このとき検波して得られ
た位相差は、サニヤック効果による位相差Δθに比例し
ている。検波して得られた各周波数ごとの位相差は直流
電圧Ｖ、−Ｖ４として出力される。ここで、基本変調周
波数成分の電圧をＶＩ、第２次高調被成分の電圧をｖ２
、第３次高調被成分の電圧をＶｌ、および第４次高調被
成分の電圧をｖ４とする。

次に、これらの電圧ｖ、、ｖ、、ｖ、、ｖ、をマルチプ
レクサ９によって順次切り換えて取り出し、サンプル・
ホールド回路１０を経てＡ／Ｄコンバータ１１により数
値化する。数値データ化された電圧ｖ、、Ｖｇ、Ｖ３．
ｖａはマイクロプロセッサ１３ａに読み込まれ、ここで
ただちにＶ＋／Ｖｚ　、Ｖ４／ＶＺ　、Ｖｓ／Ｖ＋　な
る演算を行い、これらのうちの演算結果Ｖ＋／Ｖｚより
さらに次の演算を行ない、 Ω＝　　’　　ｔａｎ　−’　（−”　・Ｋ）　　（Ｋ
　：補正係数）ａ　　　　　　　　　　ｖ２ これから回転角速度Ωを求める。

また、この結果から次の演算を行ない、θ＝＝　　Ｓｒ
ｏ。Ωｄｔ　　　（τ。二時定数）これから回転角速度
θを求める。

そして、これらのデータΩとθは光ファイバジャイロの
外部からの要求信号により任意に切り換えができ、必要
に応じて選択されて外部に取り出され、ナビゲーション
用などに利用されることになる。

ところで、このままでは従来例と同じで、車に光ファイ
バジャイロとしての一般的な動作が得られるにすぎない
。

しかして、この実施例では、上記したように、さらにデ
ータＶ　４／　Ｖ　ｚとＶ３／Ｖｌ　とが求められるよ
うになっており、これにより以下に説明する動作が行な
われ、これにより正しいデータが得られるようになって
いる。

すなわち、まず、現状の光位相変調器は外部の環境変化
に対して特性変化を示し、変調指数ψを一定るこ固定す
ることができない。結果として光ファイバジャイロの出
力信号にドリフトが現われ、正しいデータが得られなく
なる。そこで、前記のデータＶ　４／　Ｖ　２　、　　
Ｖ　３／　Ｖ　ｒにより変調指数を求め、これが一定に
なるように制御することで外部環境変化によらない光フ
ァイバジャイロを得るようにしている。

そこで、この実施例では、マイコン１３からＤ／Ａコン
バータ１２を介して乗算器１４に信号φ。

を与え、これにより光位相変調器５に、発振器７から供
給されるべき変調周波数信号ｆ、の振幅を制御するよう
になっている。つまり、変調周波数信号ｒ、の振幅が信
号φ８によって制御され、結果として上記した変調指数
ψが信号φ、によって制御されるようにしである。

そして、マイコン１３は、このＤ／Ａコンバーク１２に
与えるべきデータ、つまり信号φ。の大きさを、上記し
た演算結果Ｖ４／Ｖ２．およびＶ３／■１のいずれか一
方を適宜、選択し、その値が所定植に保たれるように制
御するように動作する。

上記したように、これらの演算結果Ｖ４／ＶＺと、Ｖ３
／Ｖｌ　とは、いずれも変調指数ψによって変化し、一
対一に対応している。そこで、マイコン１３は、これら
の演算結果Ｖ４／ＶＺとＶ　３／　Ｖ　ｌが所定値、例
えば変調指数ψ＝２．６に対応した値に収斂するように
、Ｄ／Ａコンバータ１２に出力すべきデータの数値を変
え、信号φ８の大きさを制御してやるのである。なお、
このＶ４／ＶＺ　、Ｖｓ／Ｖ＋の値が変調指数ψ＝２．
６に対応した所定値については、第３図に示したスペク
トラムがヘラセル関数で表わされることから、容易に、
かつ一義的に求めることができるので、それを採用すれ
ばよい。

ところで、これらの演算に使用する電圧■、〜Ｖ４につ
いては、第３図から明らかなように、光ファイバジャイ
ロの系全体に与えられる回転角速度Ωに応じてその振幅
が変化し、しかもその振幅変化の態様は偶数次のものと
奇数次のものとで異なっており、同図（ａｌに示すよう
に、静止時では奇数次の信号Ａ、Ｃの振幅はほとんどゼ
ロになり、反対に、同図（ｃ）に示すように、回転時で
かっ（Δθユπ／２）では偶数次の信号Ｂ、Ｄの振幅が
ほとんどゼロになり、従って、演算結果ｖ４／■２とＶ
：ｌ／Ｖｌのいずれか一方によって信号φｍの制御を行
なうようにしたのでは、測定可能な回転角速度の全域に
わたっての制御は不可能になってしまう。

そこで、この実施例では、マイコン１３により電圧Ｖ＋
（第３図の信号Ａ）と電圧ＶＺ（同じく信号Ｂ）の大き
さを比較し、これらの大小関係により次のように制御す
る。

■　Ｖ１上■２のとき（Δθ丘π／４）演算結果Ｖ４／
Ｖ２を用い、この値が所定値に収斂するように信号φ、
の値を制御する。

■　Ｖ、＜Ｖ２のとき（Δθ〉π／４）演算結果Ｖ　３
／　Ｖ　ｌを用い、この値が所定値に収斂するように信
号φ、の値を制御する。

なお、以上の説明から容易に理解されるように、Ｖ、＝
Ｖ、となるのはΔθ＝π／４のときであり、かつ、この
ためには、上記所定値を変調指数２．６に対応する値に
しなければならない。

従って、この実施例によれば、回転角速度Ωの測定可能
範囲の全域にわたって充分にドリフトを抑えることがで
きる。

ここで、マイコン１３による動作を要約すると、次の５
種の動作処理となる。

（１）電圧Ｖｔ　、Ｖｚ　、Ｖ’ｌ　、Ｖａの取り込み
。

（２）　　これらの比Ｖａ／Ｖｚ　、　　Ｖ３／Ｖｌ　
（７）演算。

（３）電圧Ｖ、とＶ２の大小比較判定。

（／Ｉ）演算結果Ｖ４／Ｖ２とＶ３／Ｖｌの選択。

（５）選択された演算結果（ｖ　ｔ／　ｖ　ｚ又はＶ３
／Ｖｌ）を用い、これらが所定値に収斂するようにして
の信号ψ１の制御。

〔発明の効果〕

本発明によれば、外乱や環境変化による測定精度の低下
に対して自動的に補正制御が与えられるため、測定精度
の向上と出力ドリフトの低減を充分に得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光ファイバジャイロの一実施例を
示すブロック構成図、第２回は信号処理部の詳細を示す
ブロック図、第３図（ａｌ〜（Ｃ１は信号スペクトラム
の説明図である。 １−・−・発光素子、２．２”・−・・−・・光方向性
結合器、３・−一一一一偏光フィルタ、４・−一−−−
−光ファイバループ、５−・−・光位相変調器、６−・
・−受光素子、７−・−・−発振器、８−・−・−４周
波数同期検波回路、９−−−−−−マルチプレクサ、１
０−・・−サンプル・ホールド回路、１１・−・−・・
−Ａ／Ｄコンバータ、１２−・・・・Ｄ／Ａコンバータ
、１３・・・−マイコン、１４−・−乗算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所定の変調信号による光の位相変調と受光信号の同
   期検波により回転角速度の検出を行なう位相変調方式の
   光ファイバジャイロにおいて、上記受光信号から基本変
   調周波数成分と、少なくとも１種の高次変調周波数成分
   とを抽出する同期検波手段を設け、これら複数の変調周
   波数成分の振幅比が所定値に収斂するように、上記位相
   変調のための変調信号の振幅を制御するように構成した
   ことを特徴とする光ファイバジャイロ。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記位相変調にお
   ける変調指数が２．６の近傍となるように構成したこと
   を特徴とする光ファイバジャイロ。 ３、特許請求の範囲第１項において、上記複数の変調周
   波数成分が４種であり、これらの変調周波数成分の振幅
   関係に応じて所定の２種の変調周波数成分が選択され上
   記振幅比を所定値に収斂するための制御が行なわれるよ
   うに構成したことを特徴とする光ファイバジャイロ。 ４、特許請求の範囲第３項において、上記複数の変調周
   波数成分が、基本変調周波数成分と１次高調波成分、２
   次高調波成分、それに３次高調波成分の４種となるよう
   に構成されていることを特徴とする光ファイバジャイロ
   。